白炭黑装置仪表选型设计
2014-08-02黄宏亮
黄宏亮
(湖南化工医药设计院,长沙 410021)
白炭黑是橡胶工业重要的补强原材料,白炭黑的成分是水合二氧化硅,因其微观结构和聚集体形态和炭黑类似,并在橡胶中有相近的补强性能,而且是白色粉末或细小粒子,故被称为白炭黑,其学名为沉淀二氧化硅,组成为SiO2·nH2O, 可溶于苛性碱和氢氟酸, 不溶于水。白炭黑是硅化工产品中的代表产品,其用途遍及国民经济各个行业。随着国内生活水平提高和鞋制品出口量的增长,对白炭黑需求持续高速增长。除了扩大生产规模之外,运用目前已经成熟的先进工艺生产技术,才能满足日益增长的需求,自动化控制水平也要随之不断提高。
1 工艺流程简述①
白炭黑生产过程中主要存在石英砂、纯碱、偏铝酸钠、稀水玻璃、浓水玻璃、稀硫酸、白炭黑料浆、压滤洗液、水以及蒸汽等介质。这些介质大部分腐蚀性强、粘稠、易结疤结晶,对设备、管道,特别是仪表造成一定的腐蚀和堵塞。白炭黑装置的现场仪表选型具有复杂性和多样性,笔者结合沉淀法白炭黑工艺,来介绍白炭黑装置各种现场仪表选型和设计中的注意事项。
如图1所示,来自硅酸钠车间的稀硅酸钠水溶液与稀硫酸在反应器中进行酸化反应,经过压滤机过滤和多次清水水洗,水洗过滤后的浆料送到喷雾干燥车间进行干燥。喷雾干燥后的白炭黑成品送到包装车间进行包装[1],之后进入仓库储存。
图1 白炭黑生产工艺流程
2 仪表选型
2.1 温度测量仪表
该生产工艺需要测量添加剂储罐、稀水玻璃准备罐、反应器、蒸汽以及洗液罐等温度。
测温元件保护套管材料根据工艺介质的特性选取,一般采用直形整体钻孔不锈钢套管,套管材料不低于管道或设备材料。就地指示一般采用双金属温度计,表头具有可调转动机构的接头。需要集中检测的测温点,由于温度不高,均采用的是三线制的热电阻(分度号Pt100)。
值得注意的是白炭黑反应器温度的测量,反应器的材料是316L,介质为白炭黑料浆,有腐蚀、易结疤、粘稠的特点,此温度点又与反应器pH值构成前馈调节系统,对控制白炭黑的反应过程相当重要,所以选用的是一体式热电阻温度变送器,插入深度1 800mm,热套管采用分级式管材热套管,材料为316Ti。
2.2 压力测量仪表
白炭黑装置需要测量偏铝酸钠、稀水玻璃、浓水玻璃、稀硫酸、白炭黑料浆、压滤洗液、水以及蒸汽等介质的压力,由于稀水玻璃、浓水玻璃和白炭黑料浆均具有腐蚀粘稠易结疤易结晶的特点,故测量这些介质的压力时都选用的是隔膜压力表和隔膜压力变送器。与液位变送器相同,对于易结晶介质,仪表法兰采用伸长插入式。测量水及蒸汽压力时采用不锈钢压力表或压力变送器。
2.3 流量测量仪表
白炭黑装置的流量测量在选型时需要考虑介质的腐蚀和结晶特性。
2.3.1电磁流量计
测量介质:浓水玻璃、过滤热水、稀硫酸、稀水玻璃、白炭黑料浆以及压滤洗液等。
电磁流量计用于导电性流体、强腐蚀性或含有固体颗粒液体的流量测量。与其他流量计相比,只有电极和衬里接触被测介质,因而只要选择合适的电极和衬里材料即可满足要求。在选择电极材料时,应根据介质的腐蚀性,兼顾经济因素来选择,可选择SUS316L,也可选择哈氏合金、钽、铂等金属电极。衬里材料可根据被测介质的腐蚀性、磨损性和温度来选择,聚四氟乙烯几乎能耐除热磷酸以外的强酸、强碱腐蚀,温度可达180℃。在本装置中,选择是陶瓷衬里,带SUS316接地环的电磁流量计。
2.3.2金属管浮子流量计
测量介质:浓硫酸。
浮子流量计工作原理可靠,主要用于中、小口径的小、微流量的测量。用于测量浓硫酸的浮子流量计应具有PTFE材料衬里,PTFE材料浮子,以防止对仪表的腐蚀。
2.3.3质量和密度流量计
测量介质:稀水玻璃。
需直接精确测量液体、高密度气体和浆料的质量流量时,可选用科氏力质量流量计,这种流量计可以不受流体温度、压力、密度或粘度变化的影响而提供精确可靠的质量流量数据[2],安装时稀水玻璃介质应该要充满测量管,没有直管段要求。
2.3.4旋涡流量计
测量介质:蒸汽。
旋涡流量计用于洁净气体、蒸汽和粘度较低液体的流量测量,选型时应根据介质状态,换算为标准状况,再查阅样本进行口径选择。不能用于腐蚀性介质的测量。
2.4 液位测量仪表
白炭黑装置主要有添加剂储罐、稀水玻璃准备罐、反应器、高剪切混合器罐以及洗液罐等的液位测量。这些设备内介质为稀水玻璃、白炭黑料浆及压滤洗液等,考虑到易结晶特性,采用法兰安装插入式液位变送器,插入长度根据设备接口进行选择。当被测介质为白炭黑料浆时,隔离膜片材料选择哈氏合金C。
添加剂储罐,稀水玻璃准备罐采用的是雷达液位计,非接触式测量,喇叭口天线,天线材料316L,长度105mm。
2.5 分析仪表
根据工艺要求,来自硅酸钠车间的稀硅酸钠水溶液与稀硫酸在反应器中进行酸化反应时,要测定反应液的pH值,当达到某一个pH值时,停止加酸,使二氧化硅沉淀出来,为控制最终产品的质量打下基础。选用玻璃pH电极,法兰式护套,带清洗控制器的pH分析器来精确检测白炭黑料浆的pH值。
除了上述分析仪表外,在压滤机洗液出口管线上设置了一台在线电导率分析仪。由于被测液体是压滤洗液,所以护套接液部位材料采用的PFA。
2.6 控制阀
白炭黑装置的控制阀一般均采用的是气动阀,阀体结构有单座阀、套筒阀、O形球阀和旋转蝶阀。阀体材料与管道材料相同或高一等级,阀内件材料根据介质情况确定。
直通单座阀主要用于阀前后压力不高、压差小、介质洁净的场合[2]。过滤热水、稀水玻璃、浓水玻璃、稀硫酸、浓硫酸及洗液等介质的调节阀采用单座阀,对于水调节阀,阀内件采用的是0Cr18Ni9,填料用聚四氟乙烯。稀硫酸调节阀考虑衬塑单座阀,阀内件采用不锈钢加F46。浓硫酸调节阀的阀内件采用的是哈氏合金C。
套筒阀一般适用于洁净介质、前后压差大、介质易发生闪蒸或空化的场合[2],例如蒸汽调节阀就选用套筒阀,阀内件至少为不锈钢,上阀盖形式为伸长型,填料用柔性石墨。
开关阀用于两位式控制系统和工艺发生故障时,需要阀门紧急打开或关闭的场合[2]。白炭黑装置采用了大量的开关阀,按照工艺专业要求选用快速切断阀,一般采用O形球阀,也有一些采用蝶阀,其泄漏量要求为ANSI Class VI,当介质有粘稠特性时采用金属密封。所配电磁阀要求可靠、满足装置的安全等级,采用进口材料的电磁阀。
压滤机压缩空气放空开关阀和开车水罐一次水出口开关阀按照工艺要求为故障开阀门,选用相应的FO类型阀门。
3 自动控制系统
在白炭黑工艺流程中有不少单回路控制系统,如稀水玻璃准备罐温度控制,过滤后热水罐温度控制,稀水玻璃输送泵出口压力控制,压滤机滤板进压缩空气压力控制以及过滤后热水给料泵返料压力控制等。为了生产需要,加入了不少复杂控制系统,比如稀水玻璃准备罐控制、白炭黑反应器的前馈-反馈控制系统、高剪切混合器罐控制以及洗液罐控制等。
在白炭黑反应的熟化过程中,要求反应温度保持在一定范围内,且持续时间较长[3]。本工艺流程中反应器采用蒸汽直接加热,因此需要不断补充蒸汽。温度控制器TRC-1连续准确地将反应温度测定值与预先设定的偏差,经运算发出指令及时调节蒸汽调节阀门的开度,控制了蒸汽的进量,以保持反应器内的温度值在规定的范围内。白炭黑反应的中和过程中,要求将加稀硫酸的速度控制在一定范围内,实际上稀硫酸的进量可能会随着稀硫酸罐液位变化而变化[3]。这个时候稀硫酸控制器FRCQ-1将瞬时流量传递给DCS控制系统,系统就能够根据偏差自动调节稀硫酸进料阀门的开度,从而将加稀硫酸的流速控制在规定的范围内。
在反应的过程中,溶液中可溶性的硅酸盐首先转变成为单体硅酸(可溶性)。由反应体系的条件所决定,单体硅酸有可能生成疏松的絮状物(聚集作用),也有可能生成致密的胶粒(凝胶作用),从而造成最终产品的很大差异。此反应的pH值必须控制在一定的范围内,pH控制器ARCA-1测得反应器内的物料到达某一pH值时,将信号传递给DCS控制系统,系统即发出关阀指令,停止加酸,终止反应。
为保证产品的质量,该设计将反应器料浆pH值与反应器温度值、反应器稀硫酸进料流量值构成前馈-反馈调节系统,如图2所示。
图2中的控制器ARCA-1起前馈作用,用来及时并提前克服干扰对物料pH的影响,根据pH值的大小直接去调节稀硫酸的大小。而温度控制器TRC-1和稀硫酸控制器FRCQ-1均起反馈作用,分别用来克服其他干扰对反应器中白炭黑料浆的反应温度和加入稀硫酸速度的影响。前馈作用和反馈作用相加,共同使白炭黑料浆的pH值保持在一定的范围内,得到了所需性能的二氧化硅,从而很好地控制了最终产品白炭黑的质量。
图2 白炭黑沉淀反应器的前馈-反馈控制
在这个前馈-反馈调节系统中,主要的扰动由前馈控制加以克服,余下的工作由反馈控制单元来完成。图3是反应器控制的方块图[4],可以看出,前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一个开环的补偿回路叠加而成。
图3 前馈-反馈控制系统方块图
4 结束语
白炭黑装置的工艺比较复杂多变,工艺介质大都具有腐蚀性强、粘稠、易结疤结晶的特性,并且沉淀反应器中的控制要非常精确,合理选用先进的仪表可以有效地掌握整个生产过程的工艺数据,确保装置的安全运行。